Chương 1 - TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BA CHIỀU TÍNH TOÁN TRƯỜNG DÒNG CHẢY 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trường dòng chảy ba chiều xung quanh các công trình thủy lực Để nghiên cứu, đánh giá được quá trình bồi xói xung quanh các công trình thủy lực trên sông như trụ cầu, kè đập, mỏ hàn,… thì đầu tiên phải nghiên cứu, tính toán được trường dòng chảy xung quanh các công trình thủy lực đó. Hiện nay, mô hình toán và mô hình vật lý là hai phương pháp quan trọng trong nghiên cứu trường thủy động lực xung quanh các công trình thủy lực. Trong những thập kỷ gần đây, các vấn đề liên quan đến xói cục bộ xung quanh các công trình thủy lực trên sông đã được nghiên cứu chủ yếu bằng việc xây dựng các mô hình vật lý (Nagata và cộng sự, 2005) [43] của kè mỏ hàn, chân đế trụ cầu, trụ cầu… Các nghiên cứu về chân đế trụ cầu và kè mỏ hàn có thể được xem là tương tự nhau do thông thường thì chúng có hình dáng gần giống nhau.
Các khảo sát về những trở ngại trong việc tiếp cận sử dụng mô hình vật lý đã được rất nhiều nhà thủy lực đề cập đến trong các nghiên cứu của mình như của Garde và cộng sự (1961) [15]; Laursen (1963) [32]; Gill (1972) [19]; Rajaratnam và Nwachukwu (1983a,b) [50,51]; Melville (1992) [36]; Kwan và Melville (1994) [29]; Lim (1997) [33]; Rahman và cộng sự (1998) [49]; và Kuhnle và cộng sự (1999) [28]. Dựa trên các kết quả thí nghiệm thu được, các nhà nghiên cứu đã khảo cứu tính chất, các đặc trưng dòng chảy để từ đó đưa ra được một số các công thức ước tính độ sâu xói cục bộ bằng cách sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên hoặc tiếp cận giải tích. Tiêu biểu theo hướng này có các nghiên cứu của Garde và cộng sự (1961), Melville (1992) (phân tích thứ nguyên) hoặc Lausen (1963), Lim (1997), Rahman và cộng sự (1998) (phân tích giải tích). 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các nghiên cứu cụ thể và chi tiết hơn về các hiện tượng xuất hiện xung quanh trụ cầu được phân thành các loại như sau: a) Nghiên cứu cấu trúc dòng chảy xung quanh trụ cầu (ví dụ như Melville 1975 [35]; Melville và Raudkivi 1977 [39]; Dey và cộng sự 1995 [11]; Ahmed và Rajaratnam 1998) [4].
b) Nghiên cứu về các thông số liên quan đến đặc tính dòng chảy và dòng trầm tích (ví dụ như: Breuser và cộng sự 1977 [6]; Raudkivi và Ettema 1977 [53], 1985 [54]; Raudkivi 1986 [52]; Melville và Sutherland 1988) [41]. c) Nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc tính trụ cầu đến độ sâu xói lớn nhất (ví dụ như: Elliot và Baker 1985 [12]; Melville và Raudkivi 1996 [40]; Ettema và cộng sự 1998) [13]. d) Ước tính độ sâu xói lớn nhất (ví dụ như: Laursen 1963 [32]; Breuser và cộng sự 1977 [6]; Jain 1981 [24]; và hầu hết các tác giả đã nhắc đến ở mục b) và c) ở trên) e) Nghiên cứu các thay đổi theo thời gian của hình dạng hố xói và độ sâu xói (ví dụ như: Tsujimoto và Motohashi 1988; Dargahi 1990 [9]; Yammaz và Altinbilek 1991; Kothyari và cộng sự 1992 [27]; Melville và Chiew 1999) [38]. Một danh mục rất nhiều các nghiên cứu liệt kê trên đây đã chỉ ra tầm quan trọng của vấn đề xói lở cục bộ sau các công trình, và tất cả đều đi đến kết luận rằng, bằng cách tiếp cận lý thuyết hay thực nghiệm, cấu trúc dòng chảy xung quanh các công trình là hết sức phức tạp và hình dạng hố xói cục bộ phụ thuộc rất nhiều vào các ảnh hưởng của dòng chảy, các đặc trưng bùn cát, kết cấu nền đáy cũng như hình dạng của công trình.
Tổng quan chi tiết hơn về các nghiên cứu đó có thể được tìm thấy trong công trình của Breuser và nnk (1977) hoặc của Dey (1997) [10]. Ngày nay, động lực học chất lỏng tính toán đã trở thành một công cụ hữu hiệu trong phân tích và thiết kế các công trình thủy lực song hành cùng với các quan trắc thực địa và thí nghiệm trong phòng. Dẫu rằng đã có những bước tiến dài và có 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nhiều thành tựu đã đạt được trong lĩnh vực này, tuy nhiên, việc mô phỏng số trị trong hầu hết các vấn đề liên quan đến công trình thủy lực trong thực tế vẫn còn đặt ra nhiều thách thức cần vượt qua thậm chí là cả với những công cụ thủy động lực tiên tiến nhất hiện nay. Đó là do trong hầu hết các trường hợp quan tâm thì dòng chảy diễn ra trong các miền phức tạp hoặc là nhân tạo hoặc là tự nhiên, có cấu trúc ba chiều rõ ràng và là dòng chảy rối thực sự.
Dòng chảy đó lại được thống trị bởi các xoáy liên kết, quy mô lớn và bất ổn định. Những khó khăn trong việc mô phỏng số trị những dạng dòng chảy đó lại còn được chồng chất thêm do những sự khác biệt về quy mô giữa các công trình nhân tạo quy mô nhỏ (vốn làm xuất hiện các đặc tính thủy lực phức tạp cục bộ) với quy mô lớn của các đoạn sông tự nhiên chứa các công trình đó (vốn xác định các đặc trưng dòng chảy đến khu vực có công trình). Một điều kiện tiên quyết để động lực học chất lỏng tính toán đóng vai trò quan trọng trong mô hình hóa các quá trình xói lở đó là phải có một phương pháp số trị có khả năng dự báo chính xác bức tranh thủy động lực phức tạp, bất ổn định và được tăng cường do sự có mặt của các mố và trụ cầu. Các phương pháp đó cần phải (1) giải quyết được một cách hiệu quả và chính xác các chi tiết phức tạp của địa hình các mố trụ cầu thực; (2) tính toán được các địa hình quy mô lớn của đoạn sông chứa công trình và (3) “bắt” được các quá trình động lực quy mô lớn của chuỗi xoáy liên kết cũng như mô tả chính xác các xoáy rối quy mô nhỏ (Ge và Sotiropoulos, 2005).
Trong việc dự báo được không chỉ là độ sâu xói mà cả hình dạng hố xói thì mô hình số trị là một công cụ vô cùng hữu ích. Trong thời gian gần đây, một vài các mô hình số trị đã được xây dựng và phát triển để mô phỏng dòng chảy xung quanh các công trình thủy lực ví dụ như: (1) dòng chảy quanh đập mỏ hàn (Tingsanchali và Maheswaran 1990; Jia và Wang 1993 [21]; Mayerle và nnk 1995 [34]; Ouillon và Dartus 1997 [47]; Jia và Wang 1999) [23]; (2) dòng chảy và sự biến dạng đáy xung quanh đập mỏ hàn (Michiue và 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mặc dầu vậy, số lượng các trường hợp kiểm tra sử dụng trong các nghiên cứu trên đây là chưa đủ để làm rõ các ứng dụng của chúng trong các công trình chỉnh trị trên sông. Dẫu rằng các mô hình đó đã mô phỏng lại một số các đặc trưng chính của hiện tượng, nhưng các kết quả tính toán chưa thỏa mãn một cách đầy đủ đặc biệt là phân bố dòng chảy sát cạnh công trình bởi một số các lý do sau đây.
Thứ nhất, do dòng chảy ngay sát phía thượng lưu công trình có một thành phần hướng xuống dưới rất mạnh với một hệ thống các xoáy xuất hiện gần bề mặt đáy do vậy giả thiết về điều kiện áp lực thủy tĩnh là không phù hợp ở các khu vực lân cận công trình. Do đó các phân tích số trị hai chiều của Tingsanchali và Maheswaran (1990) và Jie và Wang (1999) hoặc mô hình ba chiều sử dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh của Mayerle và cộng sự (1995) và Jia và Wang (1993, 1996) không thể mô phỏng tin cậy trường dòng chảy xung quanh công trình. Thứ hai, các mô hình rối sử dụng giả thiết rối đẳng hướng cục bộ được coi là không thích hợp cho các mô phỏng dòng chảy xung quanh các chướng ngại nơi mà dòng chảy ba chiều chiếm ưu thế. Mặc dầu vậy, các mô hình rối đó đã được sử dụng trong các nghiên cứu của Michiue và Hinokidani (1992); Jia và Wang (1993); Olsen và Malaaen (1993); Jia và Wang (1996); Ouillon và Dartus (1997); Olsen và Kjellesvig (1998); Richardson và Panchang (1998); Sinha và cộng sự (1998) [57]; và Neary và cộng sự (1999).
Để khắc phục các tồn tại trên cần sử dụng hệ phương trình Navie-Stokes viết ở dạng trung bình Reynolds ba chiều, đầy đủ với giả thiết phân bố áp suất phi thủy tĩnh được khép kín với mô hình rối không cân bằng k- để mô phỏng trường dòng chảy (Nagata và nnk, 2005). Điều này cũng được khẳng định trong nghiên cứu của 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ge và Sotiropoulos (2005) [17], Ge và cộng sự (2005) [18], Olsen (2003), Lai và cộng sự (2003a, b) [30, 31], Wu và nnk (2000), Sinha và nnk (1998),. Bên cạnh đó, nhìn chung thì địa hình xung quanh các công trình thường có dạng rất phức tạp và để mô tả chi tiết được trong hệ tọa độ Đề các cần phải chia lưới tính rất mịn, nhưng điều đó sẽ làm giảm khả năng ứng dụng của các mô hình vì nó yêu cầu thời gian tính toán rất lớn do việc tăng số ô lưới đồng thời giảm bước thời gian tính. Một cách khắc phục đơn giản đó là sử dụng hệ lưới vuông góc biến đổi, ở các khu vực không có công trình hoặc địa hình không có những biến đổi bất thường thì độ phân giải của lưới có thể thô hơn, và ở những khu vực xung quanh công trình hoặc nơi địa hình có thay đổi mạnh sẽ sử dụng lưới mịn hơn.
Các nghiên cứu theo hướng này đã có nhiều ứng dụng tuy nhiên, do vẫn sử dụng lưới vuông góc thông thường nên các nghiên cứu đó được triển khai cho các mô hình trong phòng thí nghiệm, khó áp dụng cho các đoạn sông thực tế nhất là các đoạn sông cong. Các mô hình sử dụng lưới cong (trực giao và không trực giao) được đề xuất để giải quyết khó khăn trên và cho phép mô tả dòng chảy trong các đoạn sông cong, nhưng với các mô hình vận chuyển bùn cát và bồi xói thì biên của các miền tính toán luôn thay đổi do diễn biến lòng và bờ sông. Và để khắc phục thì Nagata và các cộng sự (2005) đã sử dụng một hệ lưới di động để thích hợp với cả bề mặt đáy và mặt nước tự do. Nhìn chung, cho đến nay cách tiếp cận theo Nagata và các cộng sự (2005) vẫn là cách tiếp cận thực tiễn, có nhiều khả năng áp dụng cho các công trình thực tế trên các đoạn sông thiên nhiên.